|
SINH CƠ HỌC CỦA XƯƠNG
Khối lượng xương, tức là
tổng lượng khoáng trong bộ xương có ý nghĩa
quan trọng. Mối tương quan chặt chẽ giữa
khối lượng xương đo được của các xương
trong cơ thể và độ vững chắc của những xương
đó đã biết rõ. Cấu tạo hoặc cấu trúc
của xương cũng có tầm quan trọng đối với
lực cơ học và tính đàn hồi.
Xương có thể được coi là
vật chất cấu thành bằng hai pha, với chất
khoáng là một pha và chất tạo keo và chất
nền là pha kia. Các chất kết hợp kiểu đó
bền chắc hơn từng chất riêng rẽ.
Các quan niệm sinh cơ học cơ
bản
Đường cong biến dạng do
tải trọng cơ học lên xương được chứng
minh một cách hệ thống ở hình sau:
Hình
4.1.Đường cong biến dạng do tải trọng (nén,
kéo căng) với cấu trúc hình thành bởi vật
dẻo nào đó.
Nếu
tải trọng đặt vào đoạn đàn hồi của
cấu trúc (đoạn A-B trên đường cong) sau đó
được buông ra thì không thấy có biến dạng
vĩnh viễn. Nếu tải được tiếp tục vượt
qua điểm uốn (B) và đi vào đoạn dẻo của
cấu trúc (đoạn B-C trên đường cong) và sau
đó tải được buông ra thì có biến dạng vĩnh
viễn.
Biến
dạng vĩnh viễn xảy ra nếu cấu trúc chịu
tải ở điểm D trên vùng dẻo và sau đó mất
tải thì tổng biến dạng đó được biểu
diễn bởi khoảng cách giữa A và D. Nếu tải
được tiếp tục trong đoạn dẻo thì đến
một điểm hỏng tận cùng (C).
(Hình
vẽ được phép của Nordin và Franked - 1989).
Đoạn khởi đầu là vùng đàn
hồi, ở đó vật liệu trở lại hình dạng
nguyên thủy của nó khi chưa có tải. Ở điểm
uốn, vật liệu bắt đầu bị hỏng và không
lấy lại được hình dạng nguyên thủy của nó
khi chưa có tải. Đó là vùng dẻo. Miền dưới
đường cong biểu diễn năng lượng hấp thụ.
Sự vững mạnh của cấu trúc được xác định
bởi:
1. Tải trọng mà cấu trúc
chịu đựng được trước khi hỏng.
2. Sự biến dạng nó chịu
đựng được trước khi hỏng.
3. Năng lượng nó có thể tích
lũy trước khi hỏng.
Thuật ngữ chính xác hơn đối
với sự biến dạng do mang tải là nén - kéo căng.
Nén (stress) là tải hoặc lực trên miền đơn
vị được triển khai trên một miền phẳng
trong cấu trúc khi đáp ứng với các tải đặt
vào từ bên ngoài. Nó được đo bằng Newton trên
mét vuông (N/m2) hoặc bằng Pascal (Pa).
Kéo căng (strain) là sự
biến dạng, sự thay đổi về kích thước,
triển khai trên một cấu trúc đáp ứng với
sự nén từ bên ngoài. Một sức kéo căng lớn
mà không gây biến dạng vĩnh viễn, có nghĩa là
sức kéo đàn hồi cao và đối với các kiểu
xương khác nhau cũng có nghĩa là khả năng
lớn hơn để tích lũy năng lượng.
Cấu trúc xương thay đổi tùy
các kiểu xương khác nhau, tức là kiểu lưới
hay kiểu vỏ, và cũng tùy các mặt khác nhau
trong cùng một xương. Như vậy đường cong nén
- kéo căng sẽ khác nhau khi một mảnh xương
chịu tải với những phương khác nhau, ví dụ
phương nằm ngang, nằm dọc hay nằm nghiêng
(dị hướng). (Hình 4.2)
Hình
4.2. Biến dạng ở mẫu xương vỏ ở trục đùi
được kéo theo 4 hướng:
(i)
nằm dọc (L);
(ii)
nghiêng 30°
so với trục độ của xương;
(iii)
nghiêng 60°;
(iv)
ngang (T).
(Hình
vẽ được phép của Nordin và Fraket - 1989)
Nói chung, xương vững chắc
nhất ở phương chịu tải sinh lý bình thường
hay gặp nhất.
Cơ học xương
Khi chịu tải, xương tỏ ra
cứng hơn. Điều này có thể bổ sung bằng
trọng lực hay sự kéo của cơ. Sự co các cơ
dính vào xương làm thay đổi cách phân bổ
sức nén trên xương. Như vậy xương có thể
chịu đựng được sức nén trên xương. Như
vậy xương có thể chịu đựng được sức nén
mạnh dưới các điều kiện có tải hơn là
khi không tải.
Điều này giải thích vì sao
xương sống nâng nặng không gẫy như về lý
thuyết thí nghiệm in vitro mẫu xương sống chưa
nén.
Nếu sức tải nào đó trên
một phần của bộ xương vượt quá độ
vững chắc cuối cùng của xương ấy thì xương
gẫy. Tải đó có thể gây một chấn thương
mạnh ít hoặc mạnh nhiều, nó nhanh chóng vượt
quá sức vững chắc của xương, hoặc tải có
thể duy trì lâu dài hơn, quá tải lắp lại thường
xuyên, gây ra gẫy do nén (hỏng do quá sức).
Tập tính sinh cơ học của xương
biến thiên tùy theo mức độ mà xương phải
tải. Nếu mức kéo căng xương tăng lên, thì xương
cứng hơn (hấp thụ nhiều năng lượng hơn trước
khi hỏng). Xương tăng vững chắc hơn lên gấp
mấy lần so với sự tăng mức độ kéo căng.
Điều này ngược với các mô mềm, ví dụ dây
chằng hay gân kém nhậy cảm với sức kéo căng.
Điều này giải thích tại sao xương, hoặc
đơn vị xương cùng với dây chằng mới chịu
tải ít đã hỏng gây ra các chỗ gẫy do giật
còn dây chằng và gân thì hỏng ở tải lớn hơn
khi xương vững chắc hơn các mô mềm. Xương
trong một đơn vị xương - dây chằng cũng
yếu hơn khi xương còn non, điều này giải thích
vì sao các chỗ gẫy do giật tương đối ít
thấy ở các nhà thể thao trẻ tuổi hơn là
ở nhà thể thao lớn tuổi.
Sự mệt mỏi của xương
Tác động mỏi mệt khi xương
đặc mang tải chu kỳ là chức năng thuộc tính
chất kéo căng (biến dạng) hơn là thuộc tính
chất nén (mang tải).
Các vết gãy nén có thể coi
là biểu hiện lâm sàng của sự mệt mỏi
của xương, do tăng con số lặp đi lặp lại
của tải khi kéo căng xương bình thường. Như
vậy chỉ một hoặc một ít chu kỳ mang tải gây
ra một sức căng chịu đựng được, song lặp
đi lặp lại nhiều lần thì dẫn đến hư
hỏng do mệt mỏi. Tải lặp đi lặp lại ở
mức độ cao cũng tác hại nhiều cho xương hơn
một mức độ thấp thậm chí nếu sự căng
(biến dạng) giống nhau ở mọi chu kỳ mang
tải.
Gẫy xương do mỏi mệt thường
hay gặp phải khi vận động liên tục làm cho
cơ mệt mỏi. Do vậy bắp thịt yếu hơn đi và
không triệt tiêu nổi sức nén áp đặt lên xương.
Điều này giải thích vì sao
sự gẫy xương do nén gặp ở 15% người chạy
và ảnh hưởng đến 15% người chạy. Thực
nghiệm trên súc vật cho thấy giá trị kéo căng
tăng lên 5 lần từ đi bộ cho đến chạy nước
rút nhanh.
Ở ngựa đua, các gẫy xương
ở xương đốt bàn chân thứ ba thường gặp lên
tới 70% trong năm đầu tập luyện. Do xương
tạo lại nên sức kéo căng giảm đi ở xương
này và như vậy kiểu gẫy này không hay gặp
ở ngựa trưởng thành.
Xương của các con vật non hơn
tỏ ra chịu sức căng cao hơn với một sức
tải cho trước hơn là con vật trưởng thành
với xương già. Sau khi chu kỳ chịu tải nhỏ
hơn chúng cũng hỏng vì mệt mỏi. Như vậy xương
non nớt thì nhạy cảm nhiều với sự chịu
tải chu kỳ hơn là xương già dặn. Như các
nghiên cứu lâm sàng và thực nghiệm trên súc
vật cho thấy, sự tập luyện căng thẳng khi
đang lớn có thể làm ngừng lớn và gây ra
sự teo xương và mất khoáng.
Sinh cơ học tái tạo xương
Khả năng mang tải đạt được
của bộ xương và duy trì được là nhờ kết
quả kích thích chức năng không ngừng lên
tập đoàn tế bào chịu trách nhiệm tái tạo
xương.
Sự nhạy cảm với tải tác
động gây ra do căng, sự tái tạo xương có
mục đích giảm căng dưới mức độ nhất định
chịu đựng được. Mức độ kéo căng gây ra
sự tái tạo xương có thể coi là một khoảng
cách. Nếu vượt qua giới hạn trên thì xảy
ra sự hỏng cấu trúc. Việc tái tạo xương làm
cho sự kéo căng ở một tải hoặc ở một
sức nén nào đó hạ xuống dưới khoảng cách
đó. Các giới hạn biến thiên ở các xương
khác nhau phù hợp với mô hình mang tải sinh lý.
Các xương ở chi dưới thì chịu tải nhiều hơn
các xương chi trên và do đó có thể phản
ứng với sức căng kéo ít hơn ở một mức nén
cho trước.
Việc tái tạo xương diễn
ra giải thích tại sao các gẫy xương do nén
hay gặp nhất trong các thời kỳ tập luyện tăng
cường.
Bộ nhớ kéo căng của xương
Một vấn đề thường phải
nghiên cứu là có những thay đổi gì khi việc
kéo căng trong xương gây ra trong những thời
kỳ mang tải ngắn được ghi nhớ và có một
sự thay đổi gây ra khi tái tạo xương.
Sự định hướng của
collagen trong khuôn mẫu của xương không thay đổi
gì trừ khi có sự phá hủy vật lý đối với
mô.
Những thời kỳ rất ngắn
mang tải được chứng tỏ là có ảnh hưởng
đến quá trình tái tạo xương chầm chậm. Xương
có tập tính áp điện. Sự kéo căng gây ra
một sự phân cực ở trạng thái bền vững
của xương, có thể quan sát thấy bằng thực
nghiệm mấy ngày sau khi thôi thí nghiệm mang
tải.
Các thực nghiệm khác đã
cho thấy khoảng 50 đảo ngược căng (bằng con
số các chu kỳ mang tải), đạt được hướng
proteoglycan tối đa có tác dụng đánh dấu trên
sự tái tạo. Sự biến đổi hướng
proteoglycan giữ được ít nhất là 24 giờ. Điều
này được gọi là "bộ nhớ kéo căng"
của mô xương.
Các phân tử proteoglycan được
tích nạp nhiều và gắn chặt vào tế bào xương.
Sau khi kích thích kéo căng, các tế bào xương
tăng sản xuất ARN. Vì các tế bào xương khu
trú ở trong khuôn xương, chúng được đặt vào
chỗ tốt nhất để cảm nhận kích thích kéo
căng. Việc tái tạo mẫu được thực hiện do
các hủy cốt bào và tạo cốt bào (nguyên bào
xương). ARN do kích thích kéo căng gây ra có
thể là một chất đưa tin từ tế bào xương
tới các tế bào đó. Tế bào xương nuôi cấy
lại tăng sản xuất AND và tăng sinh nữa khi
chịu sức kéo cơ học theo chu kỳ.
Các kích thích khác để
tạo xương có tác hại nhỏ đối với xương.
Tác hại vì mô đó xảy ra ở những mức độ
kéo căng nhỏ. Sự tái tạo các xương dài
lớn nhất ở vùng dưới màng xương, chỗ đó
có sức nén lớn nhất và hay có tác hại vì mô
nhất. Cũng thấy các vết gẫy vi mô ở xương
bẹt kiểu lưới.
Tóm lại là có hai con đường tái tạo xương.
Hoặc là thông qua các hiện tượng điện
khởi đầu bằng sự kéo căng do chức năng gây
ra, hoặc bằng sự tác hại vì mô cũng gây ra
sự tái tạo.
|
